Spektroskopia Fotoelektronów

1

Spektroskopia Fotoelektronów

Katarzyna Górz

2

Plan Prezentacji Spektroskopia fotoelektronów – wprowadzenie Ogólny zarys PES Źródła promieniowania X Próbka Analizator Detektor/powielacz Schemat spektrometru PES Widma Zalety XPS

3

Spektroskopia fotoelektronów - wprowadzenie

Efekt fotoelektryczny

Natężenie promieniowania wpływa tylko na ilość wybijanych elektronów.

4

Spektroskopia fotoelektronów - wprowadzenie

Proces fotojonizacji w PES:

Gdzie:o EB - energia wiązania elektronu w atomie/cząsteczce

sp – praca wyjścia materiału

Wykres zależności natężenia strumienia elektronów od ich Ekin (EB) – widmo fotoelektronowe.

spBkin EhveE

eMhvM

)(

5

Spektroskopia fotoelektronów - wprowadzenie

Podstawowym równaniem opisującym efekt fotoelektryczny jest równanie Einsteina:

)(nEEhv BK

Gdzie:

EK – energia kinetyczna wybitego elektronu

EB – energia wiązania elektronów na n-tej powłoce

Jeżeli znana jest energia padającego na próbkę promieniowania oraz energia kinetyczna wybijanych elektronów, to w prosty sposób można obliczyć energię wiązania elektronów w atomach próbki.

6

Spektroskopia fotoelektronów - wprowadzenie

Definicja energii wiązania

7

Ogólny zarys PES Idea eksperymentu fotoelektrycznego jest

nadzwyczaj prosta, oświetlamy badany materiał promieniowaniem o znanej energii, następnie wyznaczamy energię kinetyczną fotoelektronu i przy znajomości pracy wyjścia obliczamy jego energię wiązania.

8

Podział PES PES (ogólne metody fotoemisyjne) dzielimy w

zależności od źródła wzbudzeń na :o XPS (wzbudzanie promieniowaniem rentgenowskim)o UPS (wzbudzanie promieniowaniem ultrafioletowym).

W ostatnich dekadach rozwinięto wiele pochodnych techniki PES: o takich jak fotoemisja z kątową zdolnością rozdzielczą

(ARPES), o analizą spinu (SPPES, SPARPES),o fotoemisja rezonansowa (RPES).

9

Źródła promieniowania X Promieniowanie rentgenowskie uzyskuje się w

praktyce poprzez wyhamowywanie rozpędzonych elektronów na materiale o dużej liczbie atomowej, efektem czego jest powstanie promieniowania o charakterystyce ciągłej, na którym widoczne są również piki pochodzące od promieniowania charakterystycznego anody.

10

Źródła promieniowania X Promieniowanie X powstaje także w

wyniku: wychwytu elektronu, w synchrotronach.

Rys. Synchrotron

11

Źródła promieniowania X Typowe lampy rentgenowskie emitują

promieniowanie o słabych parametrach. Szerokość linii jest rzędu 0.8 eV, ponadto w widmie są obecne inne linie takie jak Kα3 (Al 1496.4 eV, Mg 1262 eV) o natężeniu 6.4% oraz 8.0% odpowiednio natężenia linii pierwotnej. Stosując monochromator można zmniejszyć szerokość linii nawet do 0.3 eV, jednakże drastycznie spada natężenie fotonów wzbudzających.

12

Próbka Metoda PES używana

jest głównie do badań ciał stałych, choć stosuje się ją niekiedy dla cieczy lub gazów. Metodę stosować można zarówno na poli- jak i mono-kryształach.

13

Analizator W użyciu są głównie

hemisferyczne analizatory elektrostatyczne, które zapewniają dość dobrą zdolność rozdzielczą rzędu kilkudziesięciu milielektronowoltów i lepszą.

14

Analizator

15

Detektor/powielacz e W użyciu są następujące powielacze:

dynodowy channeltron channelplate

16

Schemat spektrometru XPS Działo jonowe –

pozwala na „ścieranie” kolejnych powłok próbki i analizę głębiej położonych warstw.

Działo niskoenergetycznych elektronów – pozwala skompensować wytwarzający się w trakcie pomiaru dodatki ładunek próbki.

17

Aparatura XPS

18

Aparatura XPSGłówne części

spektrometru:

1) lampa rentgenowska,

2) komora analityczna,

3) komora przygotowawcza,

4) wnętrze komory przygotowawczej z diamentowym pilnikiem do czyszczenia powierzchni,

5) pompa turbomolekularna,

6) pompa rotacyjna,

7) monochromator promieniowania X,

8) elektrostatyczny analizator hemisferyczny z systemem soczewek.

19

Widmo fotoemisyjne

20

Widma fotoelektronów Wykres zależności natężenia strumienia

elektronów od ich Ekin (EB) – widmo fotoelektronowe.

21

XPS (ESCA) Wykorzystuje miękkie promieniowanie

rentgenowskie o E>100eV, pozwalając na wybicie elektronów z orbitali rdzenia

Metoda zasadniczo nieinwazyjna Detekcja wszystkich pierwiastków za

wyjątkiem H i He oraz możliwość ich ilościowego oznaczenia

Informacja z warstwy o grubości ok. 1-8 nm

22

XPS (ESCA) Czułość pozwalająca na wykrycie

pierwiastków o stężeniu od 0,01% Możliwość uzyskania tzw. Profili

głębokościowych – zależność stężenia określonych atomów w funkcji odległości od powierzchni

Możliwość sporządzenia przestrzennych map rozmieszczenia atomów w próbce z rozdzielczością 10-15 m

23

Bibliografia http://www.chemia.uj.edu.pl/~jamroz/

wyklad/W1-3_XPS.pdf http://www.if.uj.edu.pl/ZFCS/magnetyk/

aparat/esca.htm http://www.if.uj.edu.pl/pl/ZINM/wyklady/

AB/xpsfizmed.pdf http://pl.wikipedia.org/wiki/

Promieniowanie_rentgenowskie

24

Dziękuje za uwagę